NVH

왜 배우는가: NVH는 소음과 진동을 감성까지 포함해 다루는 개념이므로 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제의 공통 기초이다. 전기자동차 전환으로 소음의 주된 원인이 바뀌었으므로 등장 배경을 함께 이해해야 답안의 논리가 선다.

출제 이력: 제134회 4교시 4번, 제129회 2교시 2번, 제129회 3교시 4번, 제128회 4교시 5번, 제89회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

소음·진동·불쾌감(NVH)은 차량의 소음과 진동 특성을 측정·분석하고 개선하여 탑승자가 느끼는 불쾌감을 줄이는 기술 분야이다.

이 개념의 핵심은 소음과 진동이라는 물리량과 불쾌감이라는 주관적 감각을 함께 다룬다는 점이다. 소음의 음압 레벨과 진동의 가속도는 계측기로 수치화할 수 있지만, 불쾌감은 평가자의 판정이나 심리음향 지표로 판단하는 값이다. 따라서 답안에서는 계측 가능한 물리량과 감성 평가를 함께 언급해야 한다.

답안에 반드시 써야 하는 핵심 키워드는 다음과 같다.

• 소음: 공기 중으로 전파되어 귀로 인식되는 음향 에너지이다.
• 진동: 구조물이나 차체가 몸으로 느끼는 움직임이며 주파수, 크기, 방향으로 표현된다.
• 불쾌감: 소음과 진동이 주는 거슬림, 충격감, 거친 질감 같은 주관적 감각이다.
• 실내 NVH: 객실 안 탑승자가 경험하는 소음과 진동을 다루는 영역이다.
• 외부 NVH: 차량이 밖으로 방사하는 소음을 다루며 통과 소음 시험이 포함된다.
• 음질: 소음의 음고와 크기 이외에 소리가 가지는 고유한 특성이다.
• 모드 해석: 구조물의 고유진동수와 진동 형상을 구하는 해석 기법이다.
• 감성 평가: 평가자 판정이나 심리음향 지표로 불쾌감을 정량화하는 방법이다.

2. 개념 풀이

NVH의 정식 정의는 차량에서 발생하는 소음과 진동이 사람에게 주는 불쾌감을 평가하고, 그 발생 원인을 설계 단계에서 줄이는 공학 체계이다. 소음은 음압 레벨을 dB 단위로 나타내고 주파수 분포로 구분한다. 사람이 들을 수 있는 소음의 주파수 범위는 20Hz~20kHz이다. 진동은 차체에서 사람의 몸으로 느끼는 움직임이며 주파수, 크기, 방향의 세 요소로 표현된다. 진동이 주로 나타나는 대역은 0.5~50Hz이며, 이 대역은 저주파 소음 대역과 겹친다.

원리는 다음과 같다. 엔진의 연소 압력, 회전 질량의 불평형, 노면의 요철처럼 차량 내외부에서 생기는 가진력이 차체와 현가계에 입력된다. 구조물은 질량과 강성, 감쇠로 이루어진 계이므로 입력을 받으면 고유한 주파수로 진동한다. 입력 주파수가 구조물의 고유진동수와 일치하면 진폭이 크게 증폭되는 공진이 발생하며, 이때 패널이 크게 흔들리면서 주변 공기를 밀어 소음으로 방사된다. 따라서 NVH 문제는 가진원, 전달경로, 방사 면의 세 단계로 나누어 원인을 찾는 것이 일반적이다.

고유진동수는 다음 식으로 나타낸다.

$f_n = (1 / 2π) × √(k / m)$

여기서 f_n은 고유진동수(Hz), k는 스프링 상수(N/m), m은 질량(kg)이다. 식에 따르면 질량이 커지거나 강성이 낮아질수록 고유진동수는 낮아진다. 그러므로 NVH 설계는 엔진 회전수와 노면 가진 주파수가 부품의 고유진동수와 겹치지 않도록 강성과 질량을 조정하는 것이 기본 원칙이다.

NVH는 영역에 따라 실내 NVH와 외부 NVH로 나뉜다. 실내 NVH는 탑승자의 편안함을 다루고, 외부 NVH는 차량이 방사하는 소음과 소음 규제를 다룬다. 불쾌감은 소음의 크기와 같은 값이 아니다. 불쾌감은 소음의 크기가 아니라 음색과 충격감을 포함한 주관적 감각이다. 같은 dB 값이라도 음색이 날카롭거나 특정 주파수가 튀면 불쾌감이 커지므로 음질 평가가 함께 필요하다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 가진력: 구조물에 진동을 일으키는 외부 또는 내부의 힘이다. 엔진 연소 압력과 회전체의 불평형 질량이 대표적이다.
• 고유진동수: 구조물이 외부 힘 없이 자유롭게 흔들릴 때 가지는 고유한 진동 주파수이다. 가진 주파수와 가까우면 공진이 생긴다.
• 진동 모드: 고유진동수에서 구조물이 보이는 변형 형상이다. 모드 해석은 이 형상을 구하여 어느 부위를 보강해야 하는지 알려 준다.
• 전달경로: 가진원에서 마운트와 차체 결합부를 거쳐 실내로 진동과 소음이 들어오는 경로이다.
• 흡음: 소재 내부에서 음 에너지를 열로 바꾸어 반사음과 잔향을 줄이는 현상이다.
• 차음: 질량과 밀폐 구조로 소리의 투과를 막는 성능이다. 흡음과 목적이 다르므로 구분해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 자동차는 엔진 소음이 전체 소음을 지배하여 차체와 부품에서 나는 소음은 그 아래에 묻혀 있었다. 그러나 승용차의 정숙성 요구가 높아지고 고속 주행이 일반화되면서, 엔진이 아닌 원인의 소음과 진동이 두드러졌다. 이에 따라 소음과 진동을 개별 부품 문제가 아니라 차량 전체의 특성으로 다루는 NVH가 독립된 설계 분야로 자리 잡았다.

차량이 고속화되면 풍절음과 노면 소음이 커진다. 차체 외판에 부딪히는 바람 소리와 타이어가 노면에서 내는 소리가 엔진 소음을 대신해 실내 소음의 주된 원인이 된다. 또한 연비 향상을 위해 차체를 경량화하고 강성을 높이면 질량이 줄어 진동이 구조물을 따라 쉽게 전달된다. 경량화는 연비 측면에서 필요하지만 NVH 측면에서는 흡차음재와 구조 설계로 보완해야 하는 과제이다.